능동 광학(Active Optics)은 반사망원경에 사용되는 광학 기술로, 1980년대에 개발되었다. 이 기술은 망원경의 거울 표면 형상을 능동적으로 조절하여 바람, 온도 변화, 중력, 기계적 응력 등 외부 영향으로 인한 변형을 실시간으로 보정한다. 능동 광학이 없으면 8미터급 이상의 대형 망원경이나 분할 거울을 사용한 망원경의 제작이 사실상 불가능하다.
배경 및 원리
대부분의 현대 망원경은 대형 반사경을 주경으로 사용하는 반사망원경이다. 능동 광학 기술이 개발되기 이전에는 주경이 자체 중력과 외부 힘에 의해 변형되지 않도록 매우 두꺼운 거울을 사용해야 했으며, 이로 인해 실용적인 주경 지름의 한계는 약 5~6미터(팔로마 천문대의 헤일 망원경 등)에 머물렀다.
1980년대 이후 건설된 새로운 세대의 망원경은 얇고 가벼운 거울을 사용한다. 얇은 거울은 자체적으로 정확한 형상을 유지하기에 강성이 부족하므로, 거울 뒷면에 다수의 액추에이터(actuator)를 부착하여 거울 형상에 가변적인 힘을 가함으로써 최적의 반사면 형상을 유지한다. 또한 거대한 단일 거울 대신 여러 개의 작은 조각 거울(분할 거울)로 나누는 방식도 도입되었는데, 이는 거울 자체의 무게로 인한 처짐(sagging) 문제를 완화한다.
이러한 액추에이터, 화질 검출기(image quality detector), 그리고 실시간 컴퓨터 제어 시스템이 결합되어 최적의 상(像)을 얻는 기술을 능동 광학이라고 한다.
적용 사례
능동 광학 기술은 다음 망원경들에 적용되었다:
- 노르웨이 광학 망원경(Nordic Optical Telescope)
- 신기술 망원경(New Technology Telescope, NTT)
- 갈릴레오 국립 망원경(Telescopio Nazionale Galileo)
- 켁 망원경(Keck Telescope)
- 카나리아 대형 망원경(Gran Telescopio Canarias)
1990년대 중반 이후 건설된 대부분의 대형 망원경에 이 기술이 적용되었다.
적응 광학(Adaptive Optics)과의 구분
능동 광학은 적응 광학(Adaptive Optics)과 혼동되는 경우가 있다. 두 기술은 다음과 같이 구분된다:
- 능동 광학: 비교적 느린 시간 척도(약 수 초 단위)로 작동하며, 거울 자체의 변형(온도 변화, 중력 변형, 바람 등)을 보정한다. 주로 주경을 대상으로 하며 비교적 큰 진폭의 수차를 보정한다.
- 적응 광학: 더 짧은 시간 척도(1/100초 미만, 100~1000Hz)로 작동하며, 지구 대기의 난류로 인한 상의 왜곡을 보정한다. 보정 진폭은 작지만 매우 빠른 응답 속도가 요구되며, 주로 작은 보정 거울이나 부경을 사용한다.
확장 적용
능동 광학의 개념은 가시광선 영역의 망원경뿐만 아니라, X선 영역의 경사 입사 거울(grazing incidence mirror)을 능동적으로 변형시키는 X선 능동 광학, 레이저 간섭계의 빔 안정화, 광학 공진기의 거울 정렬 제어 등 다양한 분야로 확장되어 연구 및 응용되고 있다.
